CN114003977B - 一种人工湿地-微生物燃料电池系统电极构型优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种人工湿地‑微生物燃料电池系统电极构型优化方法，包括以下步骤：通过ICEM软件建立人工湿地的几何模型，在湿地几何模型中加入微生物燃料电池电极模型，划分网格后导入FLUENT软件，根据水力停留时间、湿地内部构型的设定情况，设置不同的入口边界条件，对人工湿地‑微生物燃料电池系统模型内工质流场特性进行数值模拟，以确定不同系统模型下，水力效率达到最大值时的最佳进口速度和最优电极构型。本发明可以对人工湿地‑微生物燃料电池系统的内部水流流动状态进行模拟，从水力学角度优化人工湿地‑微生物燃料电池系统电极构型，避免因为引入电极而使得湿地内部出现死水区或直流区等问题，提高系统的水力学效率。
Description
技术领域
本发明涉及水污染治理及资源化利用技术领域，尤其涉及一种人工湿地-微生物燃料电池系统电极构型优化方法。
背景技术
人工湿地(Constructed Wetland,CW)系统具有处理效果好、工艺简单、建设运行费用低、生态环境效益高等特点，非常适合中小城镇、农村地区的污水处理以及面源污染治理，微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)可以利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能，系统主要由阳极、阴极和膜构成，鉴于污水中含有大量有机物质和营养物质，近年来有许多研究将MFC与其它污水处理技术相结合以加速污染物降解和实现电能回收。湿地系统内部自发形成的氧化还原电位梯度使得将MFC整合到湿地系统中成为可能，研究表明，MFC可有效促进CW的有机物去除率和脱氮效率。
CW系统内部的水流状况是影响其污水处理效果的重要因素，在CW中引入MFC，MFC电极的存在势必会改变污水在CW中的水力停留时间分布及水流路径等水力学行为，从而从水力学角度影响CW污水处理性能，因此，有必要对CW-MFC系统的电极构型进行优化，以改善CW-MFC系统的水力学特性，进而提高其污水处理性能，目前，国内外用于湿地水力学性能研究的方法有实验示踪法和数值模拟法。
对现有技术的文献检索发现，专利(申请号：CN202011291934.7)公开了一种基于特定示踪剂的人工湿地堵塞和短流的探测方法，该方法成本低、不受污水背景离子强度干扰、适用于各种类型的表面流潜流湿地，可实时监测各点位堵塞情况，但是示踪实验需要建造或改造湿地装置，耗时较长且工作量较大，专利(申请号：CN201910024380.5)提供了一种基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真分析方法，该发明有效降低了建模工作量，此外，通过设置合适的用户自定义函数，既能够处理液体流动，也能够处理稀薄气体流动，数值模拟方法可快速得到结果、成本低廉，只需在计算机上进行模拟和数据处理，就可模拟各种条件尤其是复杂条件下的设备或装置运行情况，但是，目前还未有关于CW-MFC系统水力学性能及其电极构型优化的数值模拟方法，因此，本发明提出一种人工湿地-微生物燃料电池系统电极构型优化方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种人工湿地-微生物燃料电池系统电极构型优化方法，该方法通过对CW-MFC系统内部的多孔介质流流场进行数值模拟与分析，实现CW-MFC系统电极空间布局与结构参数优化。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种人工湿地-微生物燃料电池系统电极构型优化方法，包括以下步骤：
步骤一：使用ICEM建模软件建立人工湿地-微生物燃料电池系统的几何模型，具体为：首先确定模拟湿地的几何尺寸、湿地内部填料的粒径分布以及高度、电极尺寸以及电极间距参数，然后在软件中输入参数建立模型；
步骤二：分析人工湿地-微生物燃料电池系统的几何模型，初步对模型内部各个部分的属性进行定义，建立人工湿地-微生物燃料电池系统的网格化模型，具体为：首先，确认加入的微生物燃料电池电极为固体，然后，定义模型入口截面、出口截面、内部截面以及壁面并确认填料内部不同的流动区域，最后，对人工湿地-微生物燃料电池系统的几何模型进行网格划分，并输出网格文件；
步骤三：使用计算流体力学软件FLUENT对人工湿地-微生物燃料电池系统的网格化模型进行模拟，获取系统的流场速度场特征，具体为：在不同流动区域根据填料分布情况设置相应的多孔介质参数，模拟规定进口速度条件下，人工湿地-微生物燃料电池系统几何模型内部流场的变化，并得到速度分布数据；
步骤四：获取人工湿地-微生物燃料电池系统流场的水力学特征参数，具体为：根据模拟所得速度分布数据，在入口截面射入轨道颗粒并对其物性参数进行设置，得到人工湿地-微生物燃料电池系统模型在规定进口速度条件下的轨道颗粒运行数据，根据轨道颗粒运行数据来模拟污染物在湿地内部的停留时间分布情况，并据此计算得出湿地的实际水力效率值；
步骤五：改变电极尺寸、电极间距和进水水力停留时间参数，重复步骤一至四，得到不同电极构型和不同进口速度条件下的人工湿地-微生物燃料电池系统水力效率值并对其进行分析比较，优化系统电极构型。
进一步改进在于：所述步骤一中，使用ANSYS内部建模软件ICEM建立人工湿地-微生物燃料电池系统的几何模型。
进一步改进在于：所述步骤二中，初步对模型内部各个部分的属性进行定义，具体为：识别流体部分为多孔介质流域，固体部分为电极，边界部分为入口截面、出口截面、内部截面和壁面。
进一步改进在于：所述步骤二中，通过ICEM软件对步骤一得到的人工湿地-微生物燃料电池系统的几何模型进行网格划分，具体为：利用ICEM软件自带的体积设置功能对模型中流体流过的区域进行自动体积识别，再采用非结构化网格划分方法对每层流体进行网格划分。
进一步改进在于：所述步骤三中，使用计算流体力学软件FLUENT对步骤二得到的网格化模型进行多孔介质参数设置时，采用多孔介质模型代替湿地内部的不同填料。
进一步改进在于：所述步骤三中，使用计算流体力学软件FLUENT对人工湿地-微生物燃料电池系统的网格化模型进行模拟的具体方法为：将步骤二得到的网格文件导入到FLUENT中，选择多孔介质流动区域为层流模型，出水区为湍流模型，设置多孔介质模型，设置边界条件，其中多孔介质模型是在描述流体流动的动量守恒方程上叠加一个代表动量消耗的项Sj，公式为：
式中，为粘性损失项，/>为惯性损失项。
进一步改进在于：设置边界条件具体为：污水入口设置为速度入口边界条件，出口设置为压力出口边界条件，壁面设置为绝热无滑移壁面。
进一步改进在于：所述步骤四中，在稳定流场的基础上从入口截面射入轨道颗粒，导出颗粒群的运行参数，将颗粒群在模型中的停留时间分布近似表达为污染物在湿地内部的停留时间分布，并据此计算得出湿地内部实际的水力停留时间，再与设定的水力停留时间作比较，以得到湿地的水力效率值。
进一步改进在于：所述步骤五中，通过对不同电极构型条件下的人工湿地-微生物燃料电池系统进行数值模拟，分析电极构型对人工湿地-微生物燃料电池系统水力效率的影响规律，并通过不断优化电极构型以提高人工湿地-微生物燃料电池系统的水力效率。
本发明的有益效果为：
(1)本发明所提供的数值模拟方法中，同时采用多孔介质模型和轨道颗粒模型，能够较为快速、精准地模拟与评价CW-MFC系统的水力停留时间分布与水力学效率，从而为CW-MFC系统的建设提供科学指导；
(2)本发明所提供的数值模拟方法，网格划分采用非结构化网格划分，此方法能够很好地识别CW-MFC系统模型内部的固体电极部分与填料的多孔介质流动部分，与传统的结构化网格划分方法相比，更加方便、快捷、准确；
(3)本发明所提供的数值模拟方法，可用于分析研究电极构型对CW-MFC系统水力学特性的影响规律，进而用于指导CW-MFC系统的电极空间布局与结构参数优化；
(4)本发明所提供的数值模拟方法，操作简单，可复制性高，并且对于其它相关的多孔介质流动状态的数值模拟计算具有一定的参考价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的方法流程示意图；
图2是本发明实施例二中人工湿地-微生物燃料电池系统数值模拟三维模型示意图；
图3是本发明实施例二中人工湿地-微生物燃料电池系统数值模拟三维模型网格剖分图；
图4是本发明实施例二中不同电极构型条件下人工湿地-微生物燃料电池系统内部轨道颗粒运行分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参见图1，本实施例提供了一种人工湿地-微生物燃料电池系统电极构型优化方法，包括以下步骤：
步骤一：使用ANSYS内部建模软件ICEM建立人工湿地-微生物燃料电池系统的几何模型，具体为：首先确定模拟湿地的几何尺寸、湿地内部填料的粒径分布以及高度、电极尺寸以及电极间距参数，然后在软件中输入参数建立模型；
步骤二：分析人工湿地-微生物燃料电池系统的几何模型，初步对模型内部各个部分的属性进行定义，建立人工湿地-微生物燃料电池系统的网格化模型，具体为：首先，确认加入的微生物燃料电池电极为固体，然后，定义模型入口截面、出口截面、内部截面以及壁面并确认填料内部不同的流动区域，最后，利用ICEM软件自带的体积设置功能对模型中流体流过的区域进行自动体积识别，再采用非结构化网格划分方法对每层流体进行网格划分，并输出网格文件；
步骤三：使用计算流体力学软件FLUENT对人工湿地-微生物燃料电池系统的网格化模型进行模拟，获取系统的流场速度场特征，具体为：在不同流动区域根据填料分布情况设置相应的多孔介质参数，模拟规定进口速度条件下，人工湿地-微生物燃料电池系统几何模型内部流场的变化，并得到速度分布数据，其中，通过FLUENT对步骤二得到的网格化模型进行多孔介质参数设置时，采用多孔介质模型代替湿地内部的不同填料，应用FLUENT对人工湿地-微生物燃料电池系统的网格化模型进行模拟的具体方法为：将步骤二得到的网格文件导入到FLUENT中，选择多孔介质流动区域为层流模型，出水区为湍流模型，设置多孔介质模型，设置边界条件：污水入口均设为速度入口边界条件，出口设为压力出口边界条件，壁面设置为绝热无滑移壁面，其中多孔介质模型是在描述流体流动的动量守恒方程上叠加一个代表动量消耗的项Sj，公式为：
式中，为粘性损失项，/>为惯性损失项；
步骤四：获取人工湿地-微生物燃料电池系统的水力学特征参数，具体为：根据模拟所得速度分布数据，在稳定流场的基础上，在入口截面射入轨道颗粒并对其物性参数进行设置，得到人工湿地-微生物燃料电池系统模型在规定进口速度条件下的轨道颗粒运行数据，将颗粒群在模型中的停留时间分布近似表达为污染物在湿地内部的停留时间分布情况，得出湿地内部实际的水力停留时间，再与设定的水力停留时间作比较以得到湿地的水力效率值；
步骤五：改变电极尺寸、电极间距和/或进水水力停留时间参数，重复步骤一至四，得到不同电极构型和/或不同进口速度条件下的人工湿地-微生物燃料电池系统水力效率值，分析电极构型对人工湿地-微生物燃料电池系统水力效率的影响规律，并通过不断优化电极构型以提高人工湿地-微生物燃料电池系统的水力效率。
实施例二
参见图1、2、3、4，本实施例提供了一种人工湿地-微生物燃料电池系统电极构型优化方法，包括以下步骤：
S1、使用ICEM建模软件建立人工湿地-微生物燃料电池系统求解区域的几何模型，并适当地对模型进行合理简化，数值模拟模型的几何参数如表1所示，数值模拟的三维模型示意图如图2所示；
S2、对人工湿地-微生物燃料电池系统几何模型各部分进行初步定义和网格划分，选择模型中电极部分将其定义为solid；选择入口截面定义为inlet、出口截面定义为outlet、湿地壁面定义为wall、模型内部截面定义其属性为interior；采用ICEM软件的体设置方法对模型中流体流过的区域进行体积识别并定义为fluid，根据填料分布情况对流体区域进行分层，方便之后对不同流体区域进行多孔介质参数设置，采用非结构化网格对流体区域进行划分网格操作，采用六面体网格，网格最大尺寸选择0.004，计算网格单位数为1428680。人工湿地-微生物燃料电池系统数值模拟三维模型网格剖分图如图3所示；
S3、将绘制完成的网格在ANSYS中从建模软件ICEM导入FLUENT中，检查网格质量并调整网格的尺寸比例；
S4、选择FLUENT求解器与能量方程，选择压力求解器，速度公式选择绝对速度，时间类型选择稳态，由于是模拟垂直流人工湿地，因此在湿地的纵向施加重力加速度，施加纵向z轴速度，设置为9.81m/s，在多孔介质区域加载层流能量方程，在出水区域加载湍流流动能量方程；
S5、设置流体选项和单元区域流体条件，材料选项中fluid添加水作为湿地内流体，单元流体区域选择湿地基质内流体流动区域fluid为多孔区域，对在步骤二中设置好的每层流体的多孔区域分别添加其粘性阻力系数1/α和惯性阻力系数C2，其计算公式如下：
式中：dp为填料基质的平均直径，ε为基质的孔隙率，每层填料的粒径和孔隙率都不相同，每层粘性阻力系数和惯性阻力系数的计算结果如表1所示；
S6、指定湿地模型内部流体特征和湿地模型壁面的物理性质，具体为：指定流动状态为层流，设置湿地壁面为恒温壁面，由于湿地壁面粗糙，因此需要设定接触阻流，壁面接触阻流系数为0.1；
S7、指定边界条件：入口边界采用速度入口，出口边界采用压力出口，压力为大气压力，出口温度为室温并设置5％的出口回流来模拟湿地出口水流压力，其中入口边界速度根据设定的水力停留时间来进行计算，计算公式如下：
式中，ε为系统整体空隙率，本实例中ε为0.44，v为进口速度(m/s)，V为模型总体积(m3)，HRT为水力停留时间(d)，本实例中水力停留时间为0.25d，即6h，速度入口计算结果为1.1*10-5m/s；
S8、设置轨道颗粒模型：打开离散相模型，首先设置颗粒模型选择最大步长为3000，时间步长为5，物理模型选取虚拟质量力，由于污水要比一般水重，因此给予纵向虚拟质量以模拟污水在湿地内的流动状态，质量因素取0.1-0.3，然后注入轨道颗粒，选择从面注入，采用随机起始点，注入颗粒数量按照注入面大小进行选取；
S9、调节解的控制参数并初始化流场，具体为：设置压力耦合方法为Coupled，空间离散化保持默认方法，设置残差监控器要求收敛到0.00001，选择标准初始化方法，初始化区域选择all-zones，参考系选择相对单元区域，最后设置迭代步数为2000，开始迭代求解；
S10、等待计算结果稳定后，选取系统模型中离散相运动颗粒轨迹(如图4所示，左侧为电极构型1，右侧为电极构型2)，选择Particle residence time为颗粒在系统模型内部的水力停留时间，导出颗粒的运动数据，将颗粒从进入到离开系统模型所经历的时间看作污染物在系统内部所经历的时间，再与所设定的水力停留时间进行比较得出当前系统模型的水力效率值；
S11、以人工湿地-微生物燃料电池系统的水力效率作为评价指标，如表2所示，数值模拟结果表明电极构型1和电极构型2的水力效率值分别为0.731和0.592，采用示踪实验对模拟结果进行验证，示踪实验结果表明电极构型1和电极构型2的水力效率值分别为0.690和0.550，与模拟结果相比，偏差分别为5.6％和7.1％，在可接受范围之内(±10％)，证明采用本发明所提供的数值模拟方法对人工湿地-微生物燃料电池系统的水力学特征进行模拟是可行的，根据数值模拟结果，修正电极尺寸、电极间距等电极结构参数，直至系统的模拟水力效率值满足要求，实现人工湿地-微生物燃料电池系统的电极构型优化。
表1人工湿地数值模拟三维模型结构参数表
表2不同电极构型条件下人工湿地-微生物燃料电池系统水力效率值
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种人工湿地-微生物燃料电池系统电极构型优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：使用ICEM建模软件建立人工湿地-微生物燃料电池系统的几何模型，具体为：首先确定模拟湿地的几何尺寸、湿地内部填料的粒径分布以及高度、电极尺寸以及电极间距参数，然后在软件中输入参数建立模型；
步骤二：分析人工湿地-微生物燃料电池系统的几何模型，初步对模型内部各个部分的属性进行定义，建立人工湿地-微生物燃料电池系统的网格化模型，具体为：首先，确认加入的微生物燃料电池电极为固体，然后，定义模型入口截面、出口截面、内部截面以及壁面并确认填料内部不同的流动区域，最后，对人工湿地-微生物燃料电池系统的几何模型进行网格划分，并输出网格文件；
步骤三：使用计算流体力学软件FLUENT对人工湿地-微生物燃料电池系统的网格化模型进行模拟，获取系统的流场速度场特征，具体为：在不同流动区域根据填料分布情况设置相应的多孔介质参数，模拟规定进口速度条件下，人工湿地-微生物燃料电池系统几何模型内部流场的变化，并得到速度分布数据；
步骤四：获取人工湿地-微生物燃料电池系统流场的水力学特征参数，具体为：根据模拟所得速度分布数据，在入口截面射入轨道颗粒并对其物性参数进行设置，得到人工湿地-微生物燃料电池系统模型在规定进口速度条件下的轨道颗粒运行数据，根据轨道颗粒运行数据来模拟污染物在湿地内部的停留时间分布情况，并据此计算得出湿地的实际水力效率值；
步骤五：改变电极尺寸、电极间距和进水水力停留时间参数，重复步骤一至四，得到不同电极构型和不同进口速度条件下的人工湿地-微生物燃料电池系统水力效率值并对其进行分析比较，优化系统电极构型。
2.根据权利要求1所述的一种人工湿地-微生物燃料电池系统电极构型优化方法，其特征在于：所述步骤一中，使用ANSYS内部建模软件ICEM建立人工湿地-微生物燃料电池系统的几何模型。
3.根据权利要求1所述的一种人工湿地-微生物燃料电池系统电极构型优化方法，其特征在于：所述步骤二中，初步对模型内部各个部分的属性进行定义，具体为：识别流体部分为多孔介质流域，固体部分为电极，边界部分为入口截面、出口截面、内部截面和壁面。
4.根据权利要求1所述的一种人工湿地-微生物燃料电池系统电极构型优化方法，其特征在于：所述步骤二中，通过ICEM软件对步骤一得到的人工湿地-微生物燃料电池系统的几何模型进行网格划分，具体为：利用ICEM软件自带的体积设置功能对模型中流体流过的区域进行自动体积识别，再采用非结构化网格划分方法对每层流体进行网格划分。
5.根据权利要求1所述的一种人工湿地-微生物燃料电池系统电极构型优化方法，其特征在于：所述步骤三中，使用计算流体力学软件FLUENT对步骤二得到的网格化模型进行多孔介质参数设置时，采用多孔介质模型代替湿地内部的不同填料。
6.根据权利要求1所述的一种人工湿地-微生物燃料电池系统电极构型优化方法，其特征在于：所述步骤三中，使用计算流体力学软件FLUENT对人工湿地-微生物燃料电池系统的网格化模型进行模拟的具体方法为：将步骤二得到的网格文件导入到FLUENT中，选择多孔介质流动区域为层流模型，出水区为湍流模型，设置多孔介质模型，设置边界条件，其中多孔介质模型是在描述流体流动的动量守恒方程上叠加一个代表动量消耗的项Sj，公式为：
式中，为粘性损失项，/>为惯性损失项。
7.根据权利要求6所述的一种人工湿地-微生物燃料电池系统电极构型优化方法，其特征在于：设置边界条件具体为：污水入口设置为速度入口边界条件，出口设置为压力出口边界条件，壁面设置为绝热无滑移壁面。
8.根据权利要求1所述的一种人工湿地-微生物燃料电池系统电极构型优化方法，其特征在于：所述步骤四中，在稳定流场的基础上从入口截面射入轨道颗粒，导出颗粒群的运行参数，将颗粒群在模型中的停留时间分布近似表达为污染物在湿地内部的停留时间分布，并据此计算得出湿地内部实际的水力停留时间，再与设定的水力停留时间作比较，以得到湿地的水力效率值。
9.根据权利要求1所述的一种人工湿地-微生物燃料电池系统电极构型优化方法，其特征在于：所述步骤五中，通过对不同电极构型条件下的人工湿地-微生物燃料电池系统进行数值模拟，分析电极构型对人工湿地-微生物燃料电池系统水力效率的影响规律，并通过不断优化电极构型以提高人工湿地-微生物燃料电池系统的水力效率。
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